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我院在高性能电催化剂材料的研制上取得新进展
发布时间：2018-11-30 阅读次数:414
近日，我院张传玲副教授研究组利用静电纺丝技术实现了双金属沸石咪唑啉框架纳米颗粒（BMZIFs）的组装，并进一步制备出了兼具高催化活性和稳定性的Co/N掺杂多孔碳纤维电催化剂。相关成果以“Electrospun metal-organic framework nanoparticle fibers and their derived electrocatalysts for oxygen reduction reaction”为题，发表在爱思唯尔出版社著名期刊《纳米能源》上（Nano Energy 2018, 55, 226-233）。
金属有机框架（MOF）是由金属离子和有机配体形成的多孔超分子，由于具有特殊的孔结构和高比表面积，在气体储存、催化、分离及传感等领域备受关注。特别是MOF颗粒不需要任何活化过程，直接在惰性气体氛围中经高温煅烧即可形成掺杂多孔碳材料，并具有大量的N-C或M-N-C活性位点。因此，MOF颗粒衍生碳材料在ORR催化中的性能研究成为近年来的热点之一。然而，高温碳化过程经常会导致MOF颗粒多孔结构坍塌，导致催化有效面积的降低，O2或电解质在催化剂中扩散缓慢，从而降低了衍生材料的催化活性和稳定性。因此，合理设计具有快速传质和稳定性的MOF衍生电催化剂非常重要，也是目前面临的一大挑战。
该研究团队通过简单的直接纺丝法将BMZIFs组装在聚丙烯腈（PAN）纤维内，并使其紧密排列。然后通过惰性气体条件下高温煅烧，制备出了Co/N掺杂的多孔碳纤维（ES-CNCo），并通过调控BMZIFs中Zn/Co比例和煅烧温度进行了组分和结构优化。由于BMZIFs在电纺纤维内紧密排列，衍生的ES-CNCo具有较高的比表面积和孔隙率以及大量的Co/N掺杂。另外，纤维的一维多孔结构有利于电子的传输和活性位点的暴露，PAN衍生的碳层进一步保证了催化剂在循环过程中的结构稳定性。研究结果表明，与非纺丝样品相比，虽然材料组分相同，但ES-CNCo表现出更好的电催化性能，特别是摩尔比Zn：Co = 5:1的样品具有与商业Pt/C催化剂相媲美的电催化性能，碱性条件下目标样更是表现出比Pt/C催化剂更好的催化稳定性和甲醇耐受性。
这项研究为今后利用静电纺丝技术设计和构筑具有高电化学性能的MOF衍生掺杂碳材料提供了新的途径，所制备材料在催化、超级电容器、锂离子电池及水分解等领域具有重要的应用前景。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551830747X
图一：静电纺丝法制备MOF衍生多孔掺杂碳纤维的示意图及形貌表征。
金属有机框架（MOF）是由金属离子和有机配体形成的多孔超分子，由于具有特殊的孔结构和高比表面积，在气体储存、催化、分离及传感等领域备受关注。特别是MOF颗粒不需要任何活化过程，直接在惰性气体氛围中经高温煅烧即可形成掺杂多孔碳材料，并具有大量的N-C或M-N-C活性位点。因此，MOF颗粒衍生碳材料在ORR催化中的性能研究成为近年来的热点之一。然而，高温碳化过程经常会导致MOF颗粒多孔结构坍塌，导致催化有效面积的降低，O2或电解质在催化剂中扩散缓慢，从而降低了衍生材料的催化活性和稳定性。因此，合理设计具有快速传质和稳定性的MOF衍生电催化剂非常重要，也是目前面临的一大挑战。
该研究团队通过简单的直接纺丝法将BMZIFs组装在聚丙烯腈（PAN）纤维内，并使其紧密排列。然后通过惰性气体条件下高温煅烧，制备出了Co/N掺杂的多孔碳纤维（ES-CNCo），并通过调控BMZIFs中Zn/Co比例和煅烧温度进行了组分和结构优化。由于BMZIFs在电纺纤维内紧密排列，衍生的ES-CNCo具有较高的比表面积和孔隙率以及大量的Co/N掺杂。另外，纤维的一维多孔结构有利于电子的传输和活性位点的暴露，PAN衍生的碳层进一步保证了催化剂在循环过程中的结构稳定性。研究结果表明，与非纺丝样品相比，虽然材料组分相同，但ES-CNCo表现出更好的电催化性能，特别是摩尔比Zn：Co = 5:1的样品具有与商业Pt/C催化剂相媲美的电催化性能，碱性条件下目标样更是表现出比Pt/C催化剂更好的催化稳定性和甲醇耐受性。
图二：碱性条件下样品的电催化性能。
这项研究为今后利用静电纺丝技术设计和构筑具有高电化学性能的MOF衍生掺杂碳材料提供了新的途径，所制备材料在催化、超级电容器、锂离子电池及水分解等领域具有重要的应用前景。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551830747X
